Как космическият телескоп Джеймс Уеб ще търси екзопланети

Когато прясно изстрелян космически телескоп Джеймс Уеб напълно разгръща и идва онлайн, той няма да бъде просто още един инструмент за астрономите да изследват вселената. Със своята авангардна спектроскопска технология, той ще може да надникне в тъмнината на космоса и виждайте отдалечени обекти по-подробно от всякога - много повече от своя предшественик, Хъбъл Космос Телескоп. Това ще революционизира нашето разбиране за екзопланетите и дори може да ни помогне да научим откъде идваме и къде другаде във Вселената може да е обитаемо.

За да разберем как космическият телескоп Джеймс Уеб ще ни помогне да изучаваме въртящи се топки от скали на трилиони мили (и защо астрономите искат), разговаряхме с двама изследователи, които ще работят с Джеймс Уеб след внедряването: Нестор Еспиноза от Научния институт за космически телескопи и Антонела Нота от Европейската космическа агенция (ESA).

Огромен скок напред

През последните години изследователите идентифицираха планети извън нашата слънчева система, използвайки телескопи като ТЕС (Сателитът за изследване на транзитната екзопланета) или Космически телескоп Кеплер. Те са в състояние да гледат най-ярките звезди и да видят промени в яркостта им, когато планета минава между тях и нас, използвайки техника, наречена транзитен метод. Това е впечатляващо постижение на научното наблюдение, но не ни казва много за това какви са тези планети - само техния приблизителен размер и понякога тяхната маса.

Ако искаме да знаем каква е планетата - има ли атмосфера? от какво се състои? има ли облаци в небето? има ли вода там — трябва да разгледаме много, много по-подробно. Това е, което Webb ще направи, но това е огромно техническо предизвикателство. Ето защо НАСА, ЕКА и Канадската космическа агенция (CSA) работят заедно по този проект.

„Уеб е сто пъти по-чувствителен от Хъбъл и поради това Уеб ще може да разкрие най-слабите детайли в най-отдалечените ъгли на много далечната вселена, с изключителна резолюция,” Nota обясни.

Докато Хъбъл е свикнал научете повече за екзопланетите, Еспиноза каза: „гледната точка, която ви дава, е много тясна. Това ви дава една функция, може би. За сравнение, каза той, Webb ще бъде „умопомрачителен“, позволявайки ни да видим няколко характеристики наведнъж и да разгледаме по-малки планети. „Ще бъде първата ни промяна да разгледаме по-малките планети в големи детайли.“

Хъбъл работи и с дължина на вълната на видимата светлина, като заснема изображения в обхвата на светлината, който можем да видим. Но Джеймс Уеб ще работи в инфрачервената дължина на вълната, която може да избира различни характеристики и надникнете през затъмняващия прах, „отваряйки прозорец към вселената, която ще бъде напълно нова“, както отбелязва Нота сложи го.

Хъбъл и Уеб ще могат да работят заедно, събирайки допълващи се данни за едни и същи цели. Така че, ако обичате красиви изображения на космоса, заснети от Хъбъл, не се притеснявайте, те няма да изчезнат. Просто ще получим друг инструмент за още по-задълбочено разбиране.

„Джеймс Уеб ще бъде революционер. Буквално революционен“, каза Еспиноза. „Това ще ни позволи да видим неща, които сме очаквали да открием от дълго време, но не сме имахме технологията да видим и съм почти сигурен, че ще открие неща, които не мислим на."

Актуализиране на технологията на Хъбъл от 1980 г

Изследователите са свършили забележителна работа, намирайки и изучавайки екзопланети, използвайки наличните в момента инструменти, откривайки досега над 4000 екзопланети. Това поле обаче е съвсем ново, като първите планети извън нашата слънчева система са идентифицирани през 90-те години. Това означава, че много инструменти от сегашно поколение, като Хъбъл, никога не са били проектирани с оглед на изследвания на екзопланети.

„Хъбъл е технология от 80-те“, каза Еспиноза. „Няма нищо против 80-те – обичам 80-те, особено музиката! – но технологията еволюира много. Видът детектори, които имахме тогава, са нищо в сравнение с този вид детектори, които имаме сега.

Джеймс Уеб, от друга страна, е проектиран със специфичното намерение да се използва за характеризиране на екзопланети и това е в челните редици на неговите принципи на проектиране. Например, когато Webb сочи към звезда, той ще сочи определен пиксел с много висока точност и няма да се движат изобщо, което позволява на изследователите да измерват много точно всички спадове в яркостта, които биха могли да дадат улики за планета в орбита.

Това ниво на прецизност позволява на Webb да изпълнява своята най-вълнуваща функция, свързана с екзопланетите: откриване дали дадена екзопланета има атмосфера и от какво е съставена тази атмосфера. „Малките детайли, които имат голямо значение, когато се опитвате да откриете атмосфери на екзопланети“, обясни Еспиноза.

Изследване на екзопланети с помощта на инфрачервена светлина

Въпреки че изследователите са стигнали до някои много креативни начини да се откриват атмосфери на екзопланети, това не е нещо, което настоящите инструменти са предназначени да правят. Ето защо възможностите на Webb ще бъдат толкова революционни.

За да надникне във вселената, Webb има четири инструмента, които ще гледат в инфрачервената дължина на вълната. Те включват близка инфрачервена камера (NIRCam) и близък инфрачервен спектрограф (NIRSpec). След това има Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager и Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS), които, както подсказват имената им, ще гледат в близката инфрачервена лента. И накрая, има инструмент със среден инфрачервен диапазон (MIRI), който разглежда широк диапазон в далечния инфрачервен диапазон.

Но това са чувствителни инструменти и изискват внимателно поддържана среда, за да работят. Така че технологията около тях също трябва да бъде авангардна.

„Webb е пълен с ръба на новата, сложна технология, от чувствителните инфрачервени детектори до петслойния тънък каптон слънцезащитен щит с размерите на тенис корт, който ще защити апаратурата от слънчевата радиация и ще позволи на телескопа и детекторите да достигнат ниската температура, необходима за наблюдение в инфрачервения спектър,” Nota казах.

Тя също така посочи фините детайли на инструментите, като масива от микрозатвори на NIRSpec, който представлява набор от малки прозорци с капаци с размерите на няколко човешки косми. Това ще позволи на инструмента да наблюдава стотици обекти едновременно. „Абсолютно първи в космическата астрономия, където спектроскопията традиционно се прави един обект наведнъж“, каза Нота.

Разбиране откъде идваме

Импулсът да видим дали една далечна планета има атмосфера не е просто научен разцвет или празно любопитство за това какви са тези далечни места. По-скоро е от ключово значение за разбирането как се създават планетите – включително нашата собствена.

Когато става въпрос за разбиране как се е формирала нашата слънчева система, изследователите използват модели и се опитват да видят как бихме могли да се окажем със състава на планетите, които виждаме. „Но в момента имаме размер на извадката от един“, посочи Еспиноза. „Нашата слънчева система. Това е. Сега сме в епоха, в която можем да надникнем в състава на други слънчеви системи. И как се формират планетите определя техния химичен състав.

Така че, когато погледнем атмосферата на далечна екзопланета, научаваме как се е появила тя. И от това можем да изградим картина за това как се формират планетите и слънчевите системи въз основа на повече случаи от този в задния ни двор. „Така че получаването на тези намеци за образуване на подписи в тези екзопланети чрез химията, която наблюдаваме в техните атмосферата е абсолютно фундаментална за нас, за да разберем как са се появили те и следователно как сме се появили ние“, той казах.

Лов за обитаемост

Може би най-вълнуващата причина да разгледаме атмосферите на екзопланети е да разберем къде другаде във Вселената животът може да процъфтява. „Един от ключовите въпроси, които Уеб ще изучава, е произходът на живота“, каза Нота. „Има огромно разнообразие от екзо-светове, повече отколкото бихме могли да си представим. Има газови планети с размерите на Юпитер, обикалящи много близо до своята звезда, огромни скалисти „суперземи“ и „топли Нептун.“ Някои от тях може да имат правилните условия на температура и правилния състав за приемане живот.”

Но за да се определи дали една планета е обитаема, каза Еспиноза, не е достатъчно просто да се знаят нейните размер и маса. В крайна сметка, когато открием планета с размерите на Земята и с подобна маса, хората често приемат, че това ще бъде място, подобно на Земята. Но Венера и Марс са с приблизително подобни размери и маси като Земята и имат атмосфера, която е изключително негостоприемна за нашата форма на живот. „Венера е най-лошото място за почивка!“ пошегува се той с огромното налягане и токсичната атмосфера, пълна с въглероден диоксид. Марс не е много по-добър със своята изключително тънка, невъзможна за дишане атмосфера, която е само 1% от плътността на нашата атмосфера на Земята.

Така че трябва да знаем за атмосферата, за да знаем дали отделна планета е обитаема. И още по-важно, за да получим оценка колко обитаеми планети може да има там, трябва да знаем какви типове атмосфера са типични за планети с размери като нашата. „Коя е най-често срещаната атмосфера, която природата формира?“ — попита Еспиноза. „Може да е подобно на Венера или подобно на Марс, а Земята е извънредно положение.“ Или може да се окаже, че подобните на Земята атмосфери са типични и броят на потенциално обитаемите планети е огромен.

Протягане към неизвестното

Webb няма да гледа само екзопланети. Той ще извършва огромен набор от изследвания, от поглеждане назад към най-ранните фази на Вселената, за да види формирането на първите галактики, до наблюдение как звездите се раждат от въртящи се прах и газ. С неговите първата година от планираните научни операции, ние просто остъргваме повърхността на това, за какво може да се използва този нов инструмент. Ще трябва да изчакаме и да видим какви други астрономически чудеса ще може да разкрие.

„Мисля, че най-голямото откритие ще бъде това, което никой не очаква“, каза Нота. „Този, който ще промени начина, по който виждаме Вселената, този, който ще определи, може би веднъж завинаги, какво е нашето място във Вселената.“

Препоръки на редакторите

• Джеймс Уеб забелязва древен прах, който може да е от най-ранните свръхнови
• Увеличете мащаба на зашеметяващото изображение на Джеймс Уеб, за да видите галактика, образувана преди 13,4 милиарда години
• Джеймс Уеб забелязва най-отдалечената активна супермасивна черна дупка, откривана някога
• Джеймс Уеб открива улики за мащабната структура на Вселената
• Джеймс Уеб открива важна молекула в зашеметяващата мъглявина Орион